Резюме. Разработени са учебни експерименти, които могат да се изпълнят у дома. Целта на тези експерименти е да заместят зададените по програма изследване на топлинен ефект и изследване на фактори, влияещи на скоростта на химичните реакции. Предложените експерименти се оказват лесни за учениците, получават се консистентно резултати, близки до теоретичните, и се изпълняват основните цели на първоначалните задания.

Обучението от разстояние в електронна среда (ОРЕС) поставя нови предизвикателства пред обучението по химия, особено в профилираната подготовка на втори гимназиален етап, където в първи модул са заложени 8 часа за експериментална работа. Въпреки липсата на истинска лабораторна среда има някои феномени и процеси, които могат да бъдат изследвани в домашни условия, под ръководството на учителя. Още повече след усредняване на получените данни изчислените резултати се доближават с добра точност до теоретично очакваните.

В настоящата статия са описани три лабораторни упражнения, като са по-сочени оригиналното упражнение, домашната модификация, броят ученици, с които е изпълнено, както и получените резултати.

1. Енергетични промени

Оригинално лабораторно упражнение: Педагог 6, урок 27, страници 128 – 130

В това лабораторно упражнение учениците теоретично се запознават с топлинен капацитет и устройство на калориметър. Обсъжда се опростена калориметрична апаратура и до какви грешки довежда ползването є. Практически използват опростена калориметрична апаратура, за да изследват ента алпията на разтваряне на солите \(\mathrm{CaCl}_{2}\) и \(\mathrm{NH}_{4} \mathrm{NO}_{3}\), както и енталпията на неутрализация между натриева основа и солна киселина.

Тези соли са подбрани заради големите абсолютни стойности на енталпията на тяхното разтваряне \(\left(\Delta \mathrm{H}_{\mathrm{o}}\left(\mathrm{NH}_{4} \mathrm{NO}_{3}\right) \approx 25 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{~mol}^{-1}, \Delta \mathrm{H}_{\mathrm{o}}\left(\mathrm{CaCl}_{2}\right) \approx-80\right.\) \(\mathrm{kJ} . \mathrm{mol}^{-1}\) ).

Лимитиращите фактори за провеждане на пълното лабораторно упражнение в домашни условия са следните:

– невъзможност да се работи с киселини и основи без присъствието на учител;

– липсата на зададените соли у дома;

– липсата на лабораторни термометри у дома;

– липсата на измервателни прибори за обем и тегло.

Три от тези проблеми могат да бъдат решени, така че да се изпълни упражнението.

– Изследва се солта \(NaClNaCl\) – тя е леснодостъпна в бита, разтварянето е ендотермично с \(\Delta \mathrm{H}_{\mathrm{o}}(\mathrm{NaCl})(\mathrm{NaCl}) \approx 4 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{~mol}^{-1}\).

– Използват се термометри за мерене на телесна температура – намират се в почти всяка домашна аптечка, недостатък е, че работят в диапазон 33 – 40°С, кон \(33-40^{\circ} \mathrm{C}\), което изисква ползването на по-топла вода.

– Използва се стиропорена чаша за кафе, която се пълни на едно и също ниво от всеки ученик (ръба на чашата, ок. 150 ml), солта се мери в супена лъжица, което за обикновена йодирана сол е ок. 5 g.

Така модифицираният експеримент изисква следните реактиви и пособия: стиропорена чаша, супена лъжица, термометър за телесна температура, готварска сол, чешмяна вода.

Процедура

Учениците наливат ок. 150 ml топла вода от чешмата в стиропорените си чаши. Измерват температурата на водата. Изсипват една супена лъжица сол във водата и разбърквайки с термометъра, отчитат новата температура. Двете температури се записват в предварително приготвена таблица, към която учениците имат връзка за редактиране. Експериментът е проведен с три класа.

Резултати, изчисления и коментари Пример е даден с данните на един от класовете.

След извършване на експеримента са получени следните данни:

Намира се средноаритметичната стойност за \(\Delta \mathrm{T}\), която в случая е

\(\Delta \mathrm{T}_{\text {средно }}=-1,15\)

Определя се топлинният ефект на реакцията (масата на водата се приема за 150 g, а топлинният капацитет \(-\mathrm{C}=4,184 \mathrm{~J} . \mathrm{g}^{-1} .{ }^{\circ} \mathrm{C}^{-1}\) ):

\[ Q=150 \mathrm{~g} \times 4,184 \mathrm{Jg}^{-1}{ }^{\circ} \mathrm{C}^{-1} \times\left(-1,15^{\circ} \mathrm{C}\right)=-721,74 \mathrm{~J} \]

Топлинният ефект отговаря на енталпия \(\Delta H=-Q=0,72 k J\)

\[ n(\mathrm{NaCl})=\tfrac{5 \mathrm{~g}}{58,5 \mathrm{~g} \cdot \mathrm{~mol}^{-1}}=0,0854 \mathrm{~mol} \] Изчислява се стандартната енталпия на разтваряне:

Този резултат се отличава от табличния (\(8,4 k J . m o l^{-1}\) ), но е близък до него и учениците лесно определят откъде идват грешките, които водят до разликата (изстиване на водата, неточности при отчитане на количествата и др.).

2. Изследване на влиянието на различни фактори върху скоростта

Оригинално лабораторно упражнение: Педагог 6, урок 38, страници 170 – 173

В това лабораторно изследване се наблюдава как различни фактори влияят върху скоростта, с която се образува елементарен йод при реакция с водороден пероксид в кисела среда.

Лимитиращите фактори за провеждане на пълното лабораторно упражнение в домашни условия са следните:

– недостъпни реактиви в домашни условия;

– използване на концентрирани киселини.

Това лабораторно упражнение може да се замени с по-лесно достъпно, за което са необходими материали, които се намират в аптеката.

Необходими материали: йодна тинктура, разтворими таблетки витамин С, гутатор, три чашки.

Процедура

Приготвен е разтвор на витамин С – една ефервесцентна таблетка от 600 mg е разтворена в ок. 150 ml вода.

Този разтвор е разпределен в три чаши с помощта на капкомер и е разреден с вода, в трите чаши пропорциите (в пълен капкомер) са следните:

Концентрацията на матерния разтвор е приета за Х, откъдето концентрациите на трите разтвора са изчислени за чаши 1, 2 и 3 съответно \(c_{1}=\tfrac{4}{5} x, c_{2}=\tfrac{3}{5} x, c_{3}=\tfrac{2}{5} x\). Реакцията е от първи порядък спрямо витамин С. Тъй като скоростта е правопропорционална на концентрацията и обратнопропорционална на времето, е вярно, че:

\[ \tfrac{v_{1}}{v_{2}}=\tfrac{c_{1}}{c_{2}}=\tfrac{t_{2}}{t_{1}} \]

Ако \(t_{1}=1\), то получаваме, че \(t_{2}=1,33, t_{3}=2\). Това са теоретични стойности, които могат да се сравнят с експериментални.

Експерименталните данни са получени, като в трите чаши е добавен по един капкомер йодна тинктура. Измерването на времето започва в момента на добавянето и приключва, когато спре да се наблюдава характерното кафяво оцветяване от разтвора на йод.

Резултати, изчисления и коментари

Данните са попълнени в електронна таблица, към която учениците имат връзка за редакция, и са нормирани към съответното \(t_{1}\). След нормировката са усреднени, при което се получават следните резултати:

Нормирането и усредняването на данните намаляват част от грешките, което води до получаване на резултати, близки до теоретичните.

И двата проведени експеримента изпълняват зададените цели: запознаване на учениците с експеримент и провеждането му, събиране и обработка на данни, обобщаване на резултати, обсъждане на грешка.

Този начин на провеждане на практически занятия е добра алтернатива, когато става въпрос за ОРЕС.